冲压发动机流场及辐射特性数值模拟

论文摘要

冲压发动机有着体积小、速度快及工作范围广等特点,是临近空间高超声速飞行的首选动力装置,在军事、航天领域的应用前景非常广阔。目前各国的主要研究力量放在解决燃烧室及喷管的燃烧组织、流动控制和热防护等冲压发动机技术发展的瓶颈问题上,而关于其燃烧室内辐射换热及喷焰红外辐射信号特征研究工作尚不多见。但着眼于冲压发动机热防护及其未来的红外探测和隐身设计问题,对燃烧室及喷焰流场辐射特性进行研究是必要的。本文基于Fluent软件对Billig型冲压发动机流场进行了系统的模拟研究,考虑了多步化学反应、湍流及颗粒相的影响;基于流场计算结果,开展了冲压发动机燃烧室壁面辐射热流及喷焰红外辐射特性建模与计算研究,获得了不同工况下Billig型冲压发动机燃烧室壁面辐射热流分布及尾喷焰红外辐射空间和光谱分布特性数据。论文主要工作包括:(1) Billig型冲压发动机燃烧室流场及辐射传热特性模拟在考虑燃烧多步化学反应机理的基础上,数值模拟获得了燃烧室流场,对比表明计算结果与实验数据基本相符;系统模拟了氢和煤油燃料的Billig型冲压发动机燃烧室流场,比较了不同当量比条件下的流场特征。采用合并宽窄谱带K分布模型结合离散坐标法,对燃烧室流场辐射传输特性进行模拟,获得了不同工况下壁面辐射热流分布特性。(2) Billig型冲压发动机喷管及尾焰流场及红外特性模拟考虑尾焰内燃气的复燃过程,对喷管与尾焰流场进行了整体模拟,获得了以氢和煤油为燃料的Billig型冲压发动机不同飞行马赫数条件下尾喷焰流场特性参数。在此基础上,基于窄谱带模型法计算获得流场内燃气辐射物性参数,采用标准红外辐射模型SIRRM的辐射传输算法对尾喷焰红外辐射特性进行了计算,获得不同工况下冲压发动机尾焰红外辐射信号数据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 冲压发动机燃烧室流场数值模拟方法
• 2.1 引言
• 2.2 冲压发动机燃烧室流场数值模拟方法
• 2.2.1 模型网格划分
• 2.2.2 求解器选取
• 2.2.3 燃烧模型选取
• 2.2.4 燃烧室流场湍流模型选取
• 2.2.5 离散相模型
• 2.2.6 边界条件选取
• 2.3 冲压发动机燃烧室流场数值模拟算例验证
• 2.4 本章小结
• 第3章 Billig 型冲压发动机燃烧室流场及辐射换热模拟
• 3.1 引言
• 3.2 当量比介绍
• 3.2.1 氢气燃料当量比定义
• 3.2.2 煤油燃料当量比定义
• 3.3 氢气燃料冲压发动机燃烧室流场数值模拟
• 3.3.1 网格无关性验证
• 3.3.2 M0=4-7 冲压发动机氢燃烧室流场数值模拟
• 3.4 煤油燃料冲压发动机燃烧室流场模拟
• 3.4.1 网格无关性验证
• 3.4.2 M0=5-7 煤油燃料冲压发动机燃烧室流场数值模拟
• 3.5 Billig 型冲压发动机燃烧室流场辐射热流计算理论基础
• 3.5.1 辐射传输方程
• 3.5.2 合并宽窄谱带K 分布模型
• 3.6 Billig 型冲压发动机燃烧室流场辐射热流分析
• 3.6.1 氢气燃料冲压发动机燃烧室流场辐射热流分析
• 3.6.2 煤油燃料冲压发动机燃烧室流场辐射热流分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 冲压发动机尾流场模拟及红外辐射计算
• 4.1 引言
• 4.2 冲压发动机尾流场数值模拟方法
• 4.2.1 模型网格划分
• 4.2.2 求解器选择
• 4.2.3 燃烧模型选取
• 4.2.4 湍流模型选取
• 4.2.5 边界条件选取
• 4.3 氢气燃料Billig 模型冲压发动机尾流场数值模拟
• 4.3.1 氢气燃料尾流场建模及网格无关性验证
• 4.3.2 模拟飞行马赫数M0=4-7 冲压发动机尾流场数值模拟
• 4.4 煤油燃料Billig 模型冲压发动机尾流场数值模拟
• 4.4.1 煤油燃料尾流场建模及网格无关性验证
• 4.5 冲压发动机尾流场红外辐射计算理论基础
• 4.5.1 辐射传输方程
• 4.5.2 窄谱带模型
• 4.6 Billig 型冲压发动机尾喷焰流场红外辐射模拟
• 4.6.1 氢气燃料喷焰红外辐射特性计算结果
• 4.6.2 煤油燃料冲压发动机喷焰红外辐射特性模拟
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢